硅基光子平臺由于其低成本、高集成密度、低損耗等特性，被認為是下一代光通信的解決方案，有望取代傳統的三五族半導體光模塊，進一步縮小器件體積，提高光通信系統集成度。然而，硅材料的固有性質限制了其作為有源器件如探測器、調制器的應用，亟需與其他材料的異質集成實現高性能片上光通信器件的制備。
 

　　石墨烯具有優異的電學及光電性能，作為光電探測器展現出高通信帶寬和可與硅光集成的顯著優勢，在光通信領域具有廣闊的應用前景。然而，由于單層石墨烯較弱的光吸收特性，石墨烯光探測器普遍具有較低的光響應度，限制了其在高性能光通信系統中的應用，是目前石墨烯硅光集成探測器所面臨的瓶頸難題。
 

　　針對以上問題，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授課題組與北京大學電子學院王興軍教授、尹建波研究員合作，提出了高響應度石墨烯探測器的設計策略，利用扭轉雙層石墨烯作為光吸收材料，實現了兼具高響應度和高帶寬的硅波導集成扭轉雙層石墨烯光探測器的制備，相關工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”為題，于2024年5月1日發表在《自然·通訊》(Nature Communications)期刊上(Nature Commun. 2024, 15, 3688)。
 

論文封面
 

　　近年來，彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學與納米器件研究，致力于高遷移率二維材料(石墨烯、拓撲絕緣體、氧硫族半導體)的控制合成、界面調控和器件應用研究。與合作者在國際上率先實現了4英寸超平整單晶晶圓石墨烯的生長(ACS Nano2017,11, 12337)和可規?；苽?ScienceBull. 2019, 64, 659)，并實現了高質量扭轉雙層石墨烯的生長(Nat. Commun.2021, 12, 2391)，構筑了基于扭轉雙層石墨烯的光電探測器件(Nat. Commun.2016, 7, 10699)，以及大面積超平整石墨烯單晶晶圓轉移-集成型熱電子發光器件(Nat. Commun.2022, 13, 5410)。
 

　　最近，彭海琳課題組將扭轉雙層石墨烯(tBLG)與硅光集成，通過對扭轉角度的設計，使tBLG能帶中范霍夫奇點(vHs)的能級差與1550nm通信波段的光子能量相匹配，顯著增強了與光的耦合效率；另外，tBLG能帶在接近狄拉克點處的線性色散關系使其具有與單層石墨烯接近的超高遷移率，保證了器件具有優秀的高頻性能。仿真結果表明，tBLG相比于單層石墨烯具有約3倍的耦合效率提升，可以有效縮短溝道長度，并提升光響應度。
 

　　圖1 波導集成tBLG探測器的結構、器件設計及材料表征。(a)波導集成tBLG探測器的結構示意圖；(b)tBLG的能帶結構；(c)在1550 nm的入射光下tBLG的光學電導率；(d)波導集成tBLG探測器的光吸收效率仿真結果；(e)tBLG的光學顯微鏡照片；(f)tBLG的透射電子顯微鏡表征
 

　　通過理論計算，當tBLG的扭轉角為4.1°時，vHs距狄拉克點相差0.4eV，正好為1550nm(0.8 eV)光子能量的一半，此時光耦合效率最高。結合器件結構的設計，可在僅8μm的器件長度下實現最高0.65A/W的高光響應度，多個器件平均光響應度為0.54A/W，顯著優于單層石墨烯及AB堆疊的雙層石墨烯器件。
 

圖2 波導集成tBLG探測器的光響應度表征
 

　　該石墨烯硅光器件在具有高的光響應度之外還兼具高的工作帶寬，其3dB帶寬可達到65GHz(受限于測量儀器)，在50Gbit/s的通斷鍵控調制格式下顯示出清晰的眼圖信號，器件的功耗低達0.8pJ/bit，展現出在光通信中的應用潛力。
 

圖3 硅波導集成tBLG探測器的高頻響應表征
 

　　為驗證將大面積tBLG與硅光集成的可能性，該研究基于石墨烯薄膜可控疊層轉移技術構筑了大面積的波導集成tBLG光探測器陣列，展現出36±2GHz的高帶寬及0.46±0.07A/W的高響應度，具有良好的均一性能，證明了大規模集成tBLG并制備高性能光通信器件的可能性。
 

圖4 大面積波導集成tBLG探測器陣列的制備及性能表征
 

　　該研究首次實現了扭轉雙層石墨烯與硅波導集成的光電探測器的制備，結合tBLG獨特的vHs能帶結構及器件結構設計，展現了具有0.65A/W的高響應度及65GHz(受限于測量設備)的3dB帶寬等優異性能。另外，通過大面積tBLG器件陣列的制備，以及高響應度(0.46±0.07A/W)及帶高寬(36±2GHz)性能的驗證，證明了具有vHs和線性色散能帶結構的tBLG與硅光異質集成制備大規模高性能光通信器件的優質潛力，特別是考慮到可控扭轉角的tBLG晶圓級生長和石墨烯晶圓級轉移技術的發展。
 

　　彭海琳與王興軍、尹建波為該文的共同通訊作者，北京大學化學與分子工程學院博士生武欽慈、博士后錢君、博士生王悅晨和北京大學電子學院研究生邢露文是該文的共同第一作者。其他主要合作者還包括北京大學化學學院劉忠范教授、劉洪濤副研究員、北京大學電子學院舒浩文研究員等。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會等機構和項目的資助，并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室(MMNL)儀器平臺的支持。